一体型ヒートパイプ構造によるTEG出力密度の向上

ヒートパイプを統合した TEG デバイスは、冷熱源と熱電モジュール間の熱伝達性能を向上させます。研究者らは、従来の積層設計にヒートパイプ構造を導入し、ヒートパイプの高い熱伝導率を利用して熱伝達の方向を変更し、積層方向を熱流の方向と一致させることで、限られたスペースにより多くの熱電モジュールを統合するのに役立ちます。ベンチ実験を通じて、650 K および 50 ms-1 の熱流下で、TEG デバイスは 848.37 W の出力電力と 48.22 WL の超高システムレベル電力密度を生成できます-1。電力密度が大幅に向上します。一方、積層構造を変更することで、さまざまなアプリケーションシナリオに拡張できます。

TEG 構造は全体として六角形の形状をしており、ホット エンド プレート、コールド エンド プレート、およびその間の熱電モジュールを積層することによって組み立てられます。各ホットエンドプレートには12本のホットエンドヒートパイプが装備されており、ヒートパイプと高温排気ガス間の熱伝達性能を確保するために、異なる層の間に千鳥状に配置されています。各コールド エンド プレートには内部に 12 本のコールド エンド ヒート パイプが装備されており、六角形の構造の欠陥に熱を伝達して冷却し、スペース利用率を向上させます。

TEG エンジニアリング アプリケーションでは、限られたスペースで十分な出力を生成することと、過剰な排気背圧を回避することという 2 つの要件を同時に満たす必要があります。著者は、CFD モデルと熱電結合モデルを組み合わせて、ヒート パイプと統合された TEG の熱力学および発電性能に関する有限要素シミュレーションを実行しました。研究の結果、熱電発電機は、単一モジュールの出力電力 3.89 W で、小さな排気背圧を確保しながら、熱電モジュールの両端に十分に高い温度差を構築できることが示されています。

研究者らはまず、ヒートパイプとホット/コールドエンドの平板を統合して、ホット/コールドエンドユニットを形成しました。次に、排気口を備えたホットエンド平板の第 1 層から始めて、一層ずつ組み立てが行われ、最終的に 240 個の熱電モジュールを備えた完全なプロトタイプが製造されます。さまざまなコンポーネントの組み立てプロセス中に、隙間をなくすためにサーマル グリースが接触面に塗布されます。この方法で製造された TEG デバイスは、さまざまなアプリケーション シナリオに応じて積層層を調整して十分な出力電力を生成でき、幅広い適用可能性を備えています。

より高い動作温度のより高性能の熱電材料と熱電モジュールが使用される場合、TEG デバイスはより大きな熱伝達に耐えることができるため、より高い出力電力と電力密度を達成できます。